Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой - Ричард Докинз

То же самое справедливо для всех пород, независимо от их прочности и твёрдости. Это верно для железа и свинца. Это также верно даже для самой твёрдой древесины. И это относится к вам и ко мне. Я уже говорил, что твёрдое вещество сделано из атомов, «упакованных» вместе, но «упакованных» здесь означает что‑то довольно странное, потому что сами атомы — главным образом пустое место. Ядра атомов расположены настолько далеко друг от друга, как если бы два футбольных мяча разделяло расстояние в 15 километров, а между ними летали бы несколько комаров.

Как такое может быть? Если камень является почти полностью пустым пространством, с реальной материей, разбросанной как футбольные мячи на километры друг от друга, почему он настолько жёсткий и твёрдый? Почему он не разрушается как карточный домик, когда вы сидите на нем? Почему мы мы не видим прямо через него? Если и стена, и я — в основном пустое место, почему я не могу пройти прямо через стену? Существует довольно забавная история об американском генерале Стабблебайне, который попытался это сделать. Вот история, которую я уже цитировал в предыдущей книге.

Это реальная история.

Она случилась летом 1983 года. Генерал — майор Альберт Стабблебайн III сидит за своим столом в Арлингтоне, штат Вирджиния, уставившись на стену, на которой развешаны его многочисленные военные награды. Они подробно описывают его долгую и выдающуюся карьеру. Он является начальником разведки армии Соединённых Штатов с 16 000 солдат под его командованием… Он смотрит сквозь свои награды на стену. У него возникаем мысль, что он должен что‑то сделать, хотя мысль об этом пугает его. Он думает о выборе, который он должен сделать. Он может остаться в своём кабинете, или он может перейти в соседний офис. Вот его выбор. И он сделал его. Он собирается пройти в следующий офис… Он встаёт, выходит из‑за стола и начинает расхаживать. Я думаю, он размышляет, из чего вообще в основном состоит атом? Из пространства! Он ускоряет шаг. Из чего в основном состою я? Он размышляет. Из атомов! Он почти перешёл на трусцу. Из чего главным образом состоит стена? Он думает. Из атомов. Все, что я должен сделать, это объединить пространства… Затем Генерал Стабблебайн тяжело ударяется носом о стену своего кабинета. Черт побери, думает он. Генерал Стабблебайн поражён своей постоянной неспособностью пройти через стену.

Вы не можете не посочувствовать генералу Стабблебайну. Он знал, что стена, и его собственное тело, были сделаны из атомов, столь рассредоточенных, что они походили на футбольные мячи в 15 километрах друг от друга. Конечно, если стена и его собственное тело были в основном пустым пространством, он же должен быть в состоянии пройти сквозь стену, протискивая свои атомы между атомами стены? Почему же он этого не может?

Почему камни и стены ощущаются твёрдыми, и почему мы не можем объединять наши с ними пространства? Мы должны понять (как бедный Генерал Стабблебайн узнал на своём горьком опыте), что то, что мы чувствуем и видим как твёрдое тело, есть нечто большее, чем просто ядра и электроны — футбольные мячи и комары. Учёные говорят о силах, связях и полях, взаимодействующие различными способами, чтобы держали футбольные мячи порознь друг от друга, а также удерживали компоненты каждого футбольного мяча как одно целое. При рассмотрении очень маленьких сущностей, таких как атомы и ядра, различие между «материей» и «пустым пространством», начинает терять свой смысл. Не совсем правильно говорить, что ядро «материи» как футбольный мяч, и что есть «пустое пространство» до следующего ядра.

Мы определяем твёрдое вещество как такое, «через которое вы не можете пройти». Вы не можете идти через стену из‑за тех таинственных сил, которые связывают ядра с их соседями в фиксированном положении. Вот что означает твёрдый.

Жидкий означает что‑то похожее, за исключением того, что мистические поля и силы удерживают атомы в меньшей степени, поэтому они скользят относительно друг друга, что означает, что вы можете перемещаться в воде, хотя и не так быстро, как в воздухе. В воздухе, являющимся газом (в действительности смесью газов), гораздо легче перемещаться, потому что атомы в газе свободно мчатся, а не привязаны друг к другу. В газе трудно перемещаться только в том случае, когда большинство атомов движутся в одном направлении, противоположном вашему движению. Это и происходит, когда вы пытаетесь двигаться против ветра (это и означает «ветер»). Трудно двигаться против штормового ветра, и невозможно двигаться против урагана или против воздушного потока, созданного реактивным двигателем.

Мы не можем двигаться сквозь твёрдый материал, но очень маленькие частицы, называемые фотонами, могут. Лучи света — это поток фотонов, и они могут перемещаться сквозь некоторые твёрдые материалы, называемые «прозрачными». Способ, которым «футбольные мячи» расположены в стекле, или в воде, или в некоторых драгоценных камнях, означает, что фотоны могут проходить как раз между ними, хотя они немного замедлятся, как вы замедляетесь при попытке пройти через воду.

За некоторым исключением, как например кварцевые кристаллы, камни непрозрачны, и фотоны не могут проникать сквозь них. Вместо этого, в зависимости от цвета камня, они либо поглощаются камнем, либо отражаются от его поверхности, и это справедливо для большинства других твёрдых предметов. Некоторые твёрдые предметы отражают фотоны совершенно особым, прямолинейным способом, и мы называем их зеркалами. Но самые твёрдые объекты поглощают многие из фотонов (они не прозрачны), и рассеивают даже те, которые они отражают (они не ведут себя как зеркала). Мы просто видим их как «непрозрачные», и мы также рассматриваем их как имеющие цвет, который зависит, от вида поглощаемых или отражаемых ими фотонов. Я вернусь к важному вопросу цвета в главе 7, «Что такое радуга?». Тем временем, мы должны сосредоточить наше внимание на действительно очень малых объектах и посмотреть прямо внутрь самого ядра — футбольного мяча.

Мельчайшие частицы

Ядро на самом деле не похоже на футбольный мяч. Это просто грубая модель. Оно, конечно, не круглое, как футбольный мяч. Даже не ясно, должны ли мы говорить о его «форме» вообще.

Может быть, само это слово — «твёрдый» теряет всякий смысл при этих очень маленьких размерах. А мы говорим об очень и очень маленьких размерах.

Точка в конце этого предложения содержит приблизительно миллион миллионов атомов типографской краски Каждое ядро содержит меньшие частицы, называемые протонами и нейтронами. Если хотите, то можете также думать о них как о мячах, хотя, как и ядра, они на самом деле не мячи. Протоны и нейтроны приблизительного одинакового размера. На самом деле они очень — очень маленькие, но все равно они в тысячу раз больше, чем электроны («комары») на орбите вокруг ядра. Существенная разница между протоном и нейтроном в том, что у протона есть электрический заряд. У электронов тоже есть электрический заряд, противоположный заряду протонов. Не важно, какой в точности электрический заряд здесь имеется в виду. У нейтронов заряда нет.

Поскольку электроны такие очень — очень — очень маленькие (а протоны и нейтроны просто очень — очень маленькие), масса атома в сущности — это только его протоны и нейтроны. Что же означает «масса»? Что ж, можно, пожалуй, представить себе массу как вес, и можно измерять её, используя те же единицы (граммы или фунты). Как бы то ни было, вес и масса — не одно и то же, и мне придётся объяснить разницу, но я отложу это до следующей главы. На данный момент просто считайте, что «масса» похожа на «вес».

Масса объекта практически полностью зависит от того, как много протонов и нейтронов связаны вместе во всех его атомах. Число протонов в ядре атома каждого отдельного элемента всегда одно и то же и равно числу электронов на орбите вокруг ядра, хотя электроны и не оказывают значительного влияния на массу, поскольку они слишком малы. Атом водорода имеет только один протон (и один электрон). Атом урана имеет 92 протона. Свинец — 82. Углерод имеет 6. Для каждого возможного числа от 1 до 100 (и ещё нескольких), имеется один и только один элемент, имеющий определённое количество протонов (и столько же электронов). Я не буду их перечислять, хотя это и легко (моя жена Лала Лала может перечислять их наизусть, на большой скорости — фокус, которому она научилась в качестве упражнения для тренировки памяти, и как способ заснуть).

Число протонов (или электронов), которыми обладает элемент, называется «атомным номером» этого элемента. Так что можно определить элемент не только по его названию, но и по его собственному уникальному атомному номеру. Например, элемент под номером 6 — углерод; элемент под номером 82 — свинец. Элементы удобно изложены в таблице, называемой периодической таблицей — я не буду вдаваться в подробности, почему она называется именно так, хотя ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА УРАН СВИНЕЦ УГЛЕРОД хотя это интересно. Но сейчас момент, чтобы вернуться, как я и обещал, к вопросу, почему, когда вы режете, скажем, свинец на все меньшие и меньшие части, вы, в конечном итоге, достигнете точки, когда, если вы разрежете его снова, он больше не является свинцом. Атом свинца имеет 82 протона. Если разделить атом так, чтобы он больше не имел 82 протона, он перестаёт быть свинцом.